《表面工程学》复习资料

《表面工程学》复习资料1.表面工程技术：指为了满足特定的工程需求，是材料或零部件表面具有特殊的成分，结构和性能的化学，物理方法。2.表面工程技术分类：（1）表面改性技术（2）表面微细加工技术（3）表面加工三维成型技术（4）表面合成新材料技术。表面：一般将固相和气相之间的分界面称为表面。界面：把固相之间的分界面称为界面3.典型的固相表面：（1）理想表面，（2）洁净表面与清洁表面（3）机械加工表面（4）一般表面。4.典型固体界面：界面指两个块体相之间的过渡区①空间尺度——原子间力作用影响范围大小②状态——材料和环境条件特征。（1)基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面（比尔比层：离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成的厚度约1~100nm的晶粒极微小的微晶层。它具有粘性液体膜似的非晶态外观，不仅能将表面覆盖的很平滑，而且能流入裂缝或划痕等表面不规则处；下面为塑性流变层）（2）基于固相组织或晶体结构差异形成的界面（3）基于固相宏观或成分差异的界面。宏观成分差异形成的界面：冶金结合界面、扩散结合界面、外延生长界面、化学键结合界面、分子键结合界面、机械结合界面。5.吸附对材料力学性能的影响——莱宾杰效应：许多情况下，由于环境介质的作用，材料的强度，塑性，耐性，耐磨性等力学性能大大降低，产程原因：（1）不可逆转物理过程与物理化学过程引起的效应（2）可逆物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程下降，固体表面自由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。这种因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度，塑性降低的现象，称为莱宾杰尔效应。特征：（1）环境介质的影响有很明显的化学特征。(2)只要很少的表面活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。（3）表面活性熔融物的作用十分迅速（4）表面活性物质的影响可逆（5)莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。本质：是金属原子对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，使表面能降低，改变表面原子间的相互作用，使金属表面的强度降低。实际意义：（1）此效应提高金属加工效率（2）应注意避免因此效应所造成的材料早期破坏。7.磨粒磨损：一个凸起硬面和另一表面接触，或者在两个摩擦面之间存在或嵌有硬颗粒，在相对运动中导致材料迁移。影响因素：（1）磨粒硬度，形状和粒度的影响（2）材料力学性能与微观组织的影响（3）工况和环境条件的影响。8.粘着磨损：摩擦面相对滑动时，固相焊合点撕裂，断裂导致材料迁移。9.提高耐磨性的途径：（1）工程结构的合理设计①产品内部设计必须合理，在满足条件下，尽量降低对磨材料的交互作用力②设计时应对零件的重要性、维修的难易程度、产品成本、使用特点、环境特点等预先进行综合分析（2）零件磨损机理预测，分析和耐磨材料的选择（3）材料表面耐磨与减磨处理①使表面具有良好的力学性能，如高硬度，高韧度。②设法降低材料表面的摩擦系数。10.电化学腐蚀：指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流的产生。保持氧化膜的必要条件是：新生成的氧化物摩尔体积V氧化物=M’/(xD)必须大于氧化物消耗掉的金属的摩尔体积V金属=M/ρ11.钝化：这种由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。12.两种理论：（1）成相膜理论（处于介质中的金属表面能生成一层致密的，覆盖良好的保护膜）（2）吸附理论（不一定要形成完整的钝化膜才会引起金属表面钝化，只要金属的部分表面上形成氧原子吸附层，就可以产生钝化）两种理论区别：成像膜理论强调了钝化层的机械隔离作用，吸附理论认为主要是吸附层改变了金属表面的能量状况，使金属不饱和键趋于饱和，降低了金属表面的化学活性，造成钝化活化：钝化的相反过程，消除金属表面的钝化状态：金属表面净化、增加金属表面的化学活性区。13.化学脱脂：利用碱与油脂类起化学反应来去除材料表面的油污（操作简便、脱脂能力强，安全可靠、易实现自动化）14.化学浸蚀：采用酸与金属材料表面的绣，氧化皮及其他腐蚀产物起反应，使其溶解度下降而除去的工艺（浸蚀速度快，生产效率高，不受工件形状限制，浸蚀彻底，劳动强度低，操作方便，易于实现机械化，自动化生产）化学浸蚀的一般工艺工程：脱脂-冷水洗（2次）-化学浸蚀-水洗-中和-水洗15.表面淬火技术：采用特定热源将钢铁表面快速加热到Ac3或Ac1之上，然后使其快冷却并发生M相变，形成表面强化层的工艺过程。组织：淬硬区（温度高于AC3），过渡区(AC3~AC1)，心部组织（原始组织，小于AC1）。性能：表面淬火层硬度比普通淬火工艺的高2~5HRC，淬火后工件耐磨性更好。此外，表面淬火还可以再零件表面产生正压力，抑制裂纹的萌生和扩展，提高轴类零件的疲劳强度并使其缺口敏感性下降。激光表面熔凝（液相淬火法）：采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区、基材16.热渗透：形成扩散层的三个基本条件：（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。（2）欲渗元素与基材之间必须有直接接触。(3)被渗元素在基体金属中要有一定得渗入速度。17渗透层形成机理（1）产生渗剂的活性原子并提供给基体金属表面。（2）渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩散所必须的浓度梯度。（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩散层增厚，即扩散层成长过程，简称扩散过程。扩散的机理有三种：间隙式扩散机理，置换式扩散机理，空位式扩散机理。18.热浸Al：是将钢材或工件浸入到熔融Al液中，使钢材或工件表面形成Al及Al合金的方法。过程：①铁基表面被溶解，并形成合金层②合金层中的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。③合金层表面包络一层纯金属。19.等离子体热渗透：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。原理：在辉光放电时，电离出来的正离子，在电场作用下轰击阴极表面，并使阴极材料的某些原子和电子逸出表面，在离子热扩渗中，开始阶段利用强阴极溅射清洁工件表面，热扩渗时控制阴极溅射以保持工件表面的粗糙度和获得所需的渗层组织。20.热喷涂的技术特点：（1）可在各种基体上制备各种材质的涂层（2）基体温度低（3）操作灵活（4）涂层厚度范围宽。影响因素：设备，材料，工艺，人员，称之为4M因素。21.等离子喷涂与喷焊之间的区别：（1）等离子喷涂时，等离子弧建立在喷枪内钨阴极与铜阳极喷嘴之间，称为非转移弧，而等离子喷则采用非转移弧和转移弧的联合弧。（2）等离子喷焊枪与等离子喷涂枪不同，区别在喷嘴中等离子弧通道的长度和直径比比较小，通常在1-1.4之间。22.常用喷涂材料：（1）金属喷涂材料，有线材和粉末两种。（2）陶瓷热喷涂材料，主要集中在氧化物陶瓷材料上，主要形式是粉末。（3）塑料热喷涂材料，一般采用粉末形式。（4）热喷涂用复合粉末材料。①为适应热喷涂工艺而制备的复合材料。②通过增强相增强涂层性能的复合材料。23.电镀溶液的基本组成：（1）析出的金属易溶于水的盐类，称为主盐。（2）能与析出的金属离子形成铬盐的成分（3）提高镀液导电性的盐类（4）能保持溶液的PH值在要求范围内的缓冲剂（5）有利于阳极溶解的助溶阴离子（6）影响金属离子在阴极上析出的成分—添加剂24.转化膜及着色：转化膜技术：是通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变金属外观的技术。25.P化：磷化膜由金属表面与稀磷酸及磷酸盐溶液接触而形成的。26.铬酸盐钝化膜：钝化膜式无定形膜，主要由不溶性的三价铬化合物和可溶性的六价铬化合物组成。不溶性部分具有足够的强度和稳定性，成为膜的骨架，可溶性部分充填在骨架内部，当钝化膜受到轻度损伤时，露出的基体与膜中的可溶性部分相互作用，使膜自动修复。即自愈作用。27.发蓝：钢铁的化学氧化俗称蓝处理，膜的成分为Fe3O4，根据制件的表面状态，材料的成分和氧化处理工艺规范的不同，可获得蓝黑色和黑色的氧化膜。28.铝阳极氧化物膜的组成与结构：多孔膜为细胞状结构，其形状在膜的形成过程中会发生变化。氧化膜细胞状结构的大小在决定氧化膜的多孔性和它的性能是都很重要。Keller模型。29.着色：铝和铝合金容易生成阳极氧化膜，阳极氧化膜是最理想的着色载体，所以铝材是最用以着色的。方法有：自然显色法，吸附着色法，电解着色法（二次电解法或浅田法）30.涂料的基本组成：成膜物质，颜料，溶剂，助剂。31.阴极电泳涂料：阴极电泳涂料时在树脂分子链中引入含N，S，P的基团，用酸中和形成盐，能电离成阳离子聚合物而增溶分散于水中。32.电泳涂装：有阳极电泳和阴极电泳，特点：自动化流水线生产，机械化，工人劳动强度低，生产效率高。33.PVD,CVD定义：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程称为PVD。CVD:把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物，单质气体通入放置有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应生成希望的薄膜。34.溅射：用高能粒子轰击固体表面，通过能量传送，使固体的院子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。有离子束溅射，阴极溅射两种。原理：利用低压气体的异常辉光放电产生的阳离子，在电极作用下高速冲向阴极。机理：（1）靶材原子脱离晶格，克服表面势垒，直接发生溅射，并在基材上成膜。（2）靶材原子产生原位振动，并波及周围原子使靶材温度升高（3）靶材原子出现反冲，使周围原子碰撞移位，并如此反复出现多次反冲现象，称为级联碰撞。35.离子镀膜：特点：（1）膜层与基层结合力高（2）均镀能力强（3）基体材料与镀膜材料可以广泛搭配。包括真空,反应，化学，交流，离子束离子镀等。36.CVD制备薄膜的主要参数：（1）温度（2）反应物供给配比（3）压力37.外延：外延是一种单晶薄膜的技术，若外延层与衬底材料在结构和性质上相同，则称为同质外延，若两者不同，则为异质外延。典型的外延有气相外延，液相外延，分子束外延。38.高能束：由高密度光子，电子，离子组成的激光束，电子束，离子束有一个共同特点，就是通过特定装置可以聚焦到很小甚至非常细微的尺寸39.激光器：二氧化碳激光器，YAG激光器，和准分子激光器。YAG激光器：由工作物质，泵浦源，聚光腔，光学谐振腔，冷却滤光及激光电源组成。特点:结构紧凑，重量轻，使用简便可靠，维修要求低。准分子激光器：指在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称为受激准分子。特点：输出波长短，单光子能量高，重复性好，波长可调谐运转。40.离子注入：定义：是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万伏的高能离子束后注入到固体材料的表面，形成特殊物理，化学或者力学性能表面改性层的过程，具有原子冶金特征。强化机理：（1）固熔强化效应。（2）晶粒细化效应。（3）晶格损伤效应。（4）弥散强化效应。（5)晶格变换效应。（6）压应力效应。41.PIII原理：由于电子质量轻，在脉冲电场作用下其加速度远远大于离子的加速度，并迅速离开处于负偏压的试样，留下一个等离子体壳。壳内的离子往试样方向加速并注入到试样表面，同时等离子体往外扩展，直到高压断开或者达到稳定，当下一个高压脉冲加上后，上衣过程再次发生，离子不断注入工件表面二、简答题1、表面工程技术的内涵(分类)；表面改性技术、表面合成材料技术、表面加工技术、表面加工三维合成技术2、表面工程技术的特点与意义；表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。2）采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。3）可以兼有装饰和防护功能，